Advanced

Fatigue behaviour of a nickel based superalloy

Andersson, Henrik LU (2002)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Då en struktur utsätts för varierande belastning kan brott uppstå vid väsentligt lägre last än vad som hade orsakat brott vid konstant lastnivå. Fenomenet kallas utmattning och berör många traditionella ämnen. För att kunna göra relevanta bedömningar av livslängden vid utmattningsbelastning krävs kunskap om materialets egenskaper, både mikroskopiskt och makroskopiskt, tillverkningsmetoder, hållfasthetsanalyser, brottmekanik och provnings-metoder. Problemet har med säkerhet funnits så länge som människan har konstruerat saker och ting för användning under en längre tidsperiod. Bland de första systematiska undersökningarna är de som gjordes av Wöhler i Tyskland i mitten på 1800-talet på axlar till... (More)
Popular Abstract in Swedish

Då en struktur utsätts för varierande belastning kan brott uppstå vid väsentligt lägre last än vad som hade orsakat brott vid konstant lastnivå. Fenomenet kallas utmattning och berör många traditionella ämnen. För att kunna göra relevanta bedömningar av livslängden vid utmattningsbelastning krävs kunskap om materialets egenskaper, både mikroskopiskt och makroskopiskt, tillverkningsmetoder, hållfasthetsanalyser, brottmekanik och provnings-metoder. Problemet har med säkerhet funnits så länge som människan har konstruerat saker och ting för användning under en längre tidsperiod. Bland de första systematiska undersökningarna är de som gjordes av Wöhler i Tyskland i mitten på 1800-talet på axlar till järnvägsvagnar. Sedan dess har naturligtvis enorma framsteg gjorts på området men så länge människan vill utnyttja naturens resurser allt mer effektivt så kommer man alltid att ligga på gränsen av det möjliga. Man vill till exempel färdas snabbare men samtidigt använda mindre bränsle vilket leder till högre temperatur och mekanisk last på motorns komponenter. Detta får till följd att utmattning är ett problem vi kommer att bära med oss under all överskådlig framtid.



I denna avhandling utnyttjas konstitutiva modeller för sambanden mellan töjning och spänning, vilka beskriver materialets makroskopiska egenskaper. Först tas en implicit formulering av Bodner-Partoms viskoplastiska materialmodell fram. Denna används sedan i en jämförelse mellan olika materialbeskrivningar, både i form av tillgängliga materialmodeller och av materialparametrar. Det visar sig att uppskattningen av när sprickan öppnar sig under en lastcykel är starkt beroende på vilken materialbeskrivning man väljer. Tyvärr går det alltför ofta slentrian i valet av materialmodell och dessutom är experimentellt verifierade materialparametrar för vald modell ofta svåra att få tag på. Tillsammans har detta stor betydelse, bland annat då man sedan väljer att beräkna sprickpropageringshastigheten utifrån den del av lastcykeln då sprickan är öppen.



I avhandlingen används också Bodner-Partoms materialmodell för att beräkna när under en lastcykel en spricka öppnar sig. På så vis är det möjligt att korrelera spricktillväxthastigheten per cykel för ett prov med växlande last och en frekvens på 10 Hz med ett prov med enbart dragbelastning på 0.5 Hz vid 550°C. Vid en högre temperatur, 687°C, visar det sig att sprickpropageringshastigheten är beroende av tiden i stället för antalet cykler.



Till slut undersöks sprickorna på en mikroskopisk nivå i rumstemperatur i ett svepelektronmikroskop. Där framgår det tydligt att sprickorna växer på specifika atomplan, vilket leder på en mikroskopisk nivå till en väldigt ojämn brottyta. Planen som sprickorna växer på är relativt konstanta med avseende på kristallorienteringen i materialet. Detta får till följd att både spricköppningsspänning och sprickpropageringshastighet är starkt kopplade till kristallorienteringen. I vissa fall, även ibland för stora belastningar, drivs sprickan framåt av skjuvkrafter i materialet vilket gör att sprickan inte alltid behöver vara öppen för att växa. (Less)
Abstract
This thesis deals with different aspects of fatigue crack propagation in IN718. The ultimate objective of the work is to gain understanding of the fatigue process, from the macroscopic stress-strain relations to microscopic fatigue crack growth mechanisms. First, the stress-strain relations, which are fundamental in order to understand what the material encounter, are dealt with. The high temperature material model by Bodner and Partom is expressed in an implicit form, suitable for FE-implementation. Furthermore, different methods to extract material parameters for the model are employed. A direct method with strain as the independent variable is chosen. The resulting stress from an applied strain is compared to stress calculated by linear... (More)
This thesis deals with different aspects of fatigue crack propagation in IN718. The ultimate objective of the work is to gain understanding of the fatigue process, from the macroscopic stress-strain relations to microscopic fatigue crack growth mechanisms. First, the stress-strain relations, which are fundamental in order to understand what the material encounter, are dealt with. The high temperature material model by Bodner and Partom is expressed in an implicit form, suitable for FE-implementation. Furthermore, different methods to extract material parameters for the model are employed. A direct method with strain as the independent variable is chosen. The resulting stress from an applied strain is compared to stress calculated by linear kinematic hardening.



The concept of using the effective stress intensity factor range for crack growth expressions is employed for two temperatures. It is found that at 687°C crack growth is dependent upon time whereas at 550°C a cyclic crack propagation expression as a function of the effective stress intensity factor range is successful.



An in-situ SEM investigation of fatigue crack mechanisms reveals that crack closure is very dependent upon grain orientation. The local crack growth rate also varies significantly, although no obvious correlation between crack opening stress and crack growth rate is found. The investigation also shows that a crystallographic fracture mode is active well up in the Paris regime, at higher stress intensity factors than anticipated. For some grain orientations, shear is the active mechanism for crack extension, even in the Paris regime. When this is the case, the crack needs not to be visibly open to grow. This is a possible explanation for the recently discovered Donald effect.



As different crack growth mechanisms yields different crack growth rates, a need to employ the knowledge from the materials engineering field in close corporation with traditional solid mechanics is thus needed to further improve crack growth rate predictions. Metal fatigue is thus an interdisciplinary field. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Professor Andersson, Hans, SP Swedish National Testing and Research Institute
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
materialteknik, Materiallära, Material technology, Bodner-Partom, Fatigue, High temperature
pages
124 pages
publisher
Henrik Andersson, Materials Engineering, BOX 118, SE - 221 00 LUND, SWEDEN,
defense location
Room M:B, M-Building, Lund Institute of Technology
defense date
2002-10-03 10:15
ISBN
91-628-5363-5
language
English
LU publication?
yes
id
cb5c2557-2791-4e0d-bd13-ab65bca54890 (old id 464986)
date added to LUP
2007-09-06 09:41:24
date last changed
2016-09-19 08:45:08
@phdthesis{cb5c2557-2791-4e0d-bd13-ab65bca54890,
  abstract     = {This thesis deals with different aspects of fatigue crack propagation in IN718. The ultimate objective of the work is to gain understanding of the fatigue process, from the macroscopic stress-strain relations to microscopic fatigue crack growth mechanisms. First, the stress-strain relations, which are fundamental in order to understand what the material encounter, are dealt with. The high temperature material model by Bodner and Partom is expressed in an implicit form, suitable for FE-implementation. Furthermore, different methods to extract material parameters for the model are employed. A direct method with strain as the independent variable is chosen. The resulting stress from an applied strain is compared to stress calculated by linear kinematic hardening.<br/><br>
<br/><br>
The concept of using the effective stress intensity factor range for crack growth expressions is employed for two temperatures. It is found that at 687°C crack growth is dependent upon time whereas at 550°C a cyclic crack propagation expression as a function of the effective stress intensity factor range is successful.<br/><br>
<br/><br>
An in-situ SEM investigation of fatigue crack mechanisms reveals that crack closure is very dependent upon grain orientation. The local crack growth rate also varies significantly, although no obvious correlation between crack opening stress and crack growth rate is found. The investigation also shows that a crystallographic fracture mode is active well up in the Paris regime, at higher stress intensity factors than anticipated. For some grain orientations, shear is the active mechanism for crack extension, even in the Paris regime. When this is the case, the crack needs not to be visibly open to grow. This is a possible explanation for the recently discovered Donald effect.<br/><br>
<br/><br>
As different crack growth mechanisms yields different crack growth rates, a need to employ the knowledge from the materials engineering field in close corporation with traditional solid mechanics is thus needed to further improve crack growth rate predictions. Metal fatigue is thus an interdisciplinary field.},
  author       = {Andersson, Henrik},
  isbn         = {91-628-5363-5},
  keyword      = {materialteknik,Materiallära,Material technology,Bodner-Partom,Fatigue,High temperature},
  language     = {eng},
  pages        = {124},
  publisher    = {Henrik Andersson, Materials Engineering, BOX 118, SE - 221 00 LUND, SWEDEN,},
  school       = {Lund University},
  title        = {Fatigue behaviour of a nickel based superalloy},
  year         = {2002},
}